李立波
（晋能清洁能源风力发电有限责任公司 030001）
摘要：随着我国社会的进步和经济的发展，对于能源的需求也日益增加，未来社会发展的趋势就是大力开发可再生能源。开发可再生能源能够有效地缓解环境污染、能源危机等问题。其中，风能是清洁、环保、可再生的一种能源，使用风力发电能够在很大程度上减少由于传统火力发电造成的环境污染等问题。相比传统的发电方式，风力发电的成本是比较低的，并且在我国风能的分布是比较广泛的，所以对于我国来说，我国发展对于电力的需求是很大的，风力发电和传统的发电方式相结合能够长久地做好发电工作。但是在进行风力发电工作的过程中，还是存在着很多的问题，为了有效地提高风力发电的效率，就需要进一步掌握风力发电系统短路故障的特征并分析其保护的影响。
关键词：风力发电；短路故障；特征分析；影响
引言：
能源与环境相矛盾的问题愈加严重，风能作为一种清洁环保的可再生能源逐渐被人们所发现并使用。随着风力发电技术的快速发展，风力发电机的容量越来越大。风力发电机多以机组的形式进行发电工作，机组运行的状况也影响着电网的整体运行，当机组中出现故障时，对电力系统中现有的继电保护和安全自动装置有着很大的影响，所以可见了解风力系统故障的短路电流特征以及其对保护的影响的重要性。
风力发电工作是将风能转化为电能，这项发电工作必然是有间歇性。我国的风力发电技术发展正在逐步走向成熟，对于风力发电机组的关键部件了解和掌握技术也在不断地深入，风电设备的维修方式多采用计划维修和事后维修方式，所以做好风力发电机组状态的监测工作并完善故障诊断系统能够有效地保证风力发电机组正常工作。
一、风力发电系统原理的介绍
双馈型风力发电系统主要是由风轮、齿轮箱、发电机、变流器和负载组成，双馈式异步电机为绕线型感应电机，利用风力带动风轮叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电，实现风能转化为电能。当风速低于并网发电风速时，功率从变流器传向转子，实现用电；当风速高于并网发电风速时，功率从转子通过变流器进入电网，然后进行发电工作。
直驱式风力发电机是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。
二、风力发电机组结构分析
风力发电机组主要是由风轮、机舱、塔筒以及基础等四个部分组成。目前风力发电厂中比较常见的发电机类型就是大型兆瓦级风力发电机组，这种发电机组又可以分成两种类型，就是双馈型和直驱型，双馈型机组是比较常用的。其中风轮是吸收风能的主要关键部位，主要分为叶片和变桨系统。风轮随着风的流动而转动，在这个过程中将风能转化为机械能，再将机械能通过传动链系统发送到发电机转化为电能。双馈风力发电机的传动链上能量传动顺序分为主轴、齿轮箱以及高速轴。主轴与风轮相接，通过风轮的不断运转才能保持主轴的持续运行。齿轮箱具有增速的作用，齿轮箱的两端分别输入端和输出端，输入端为低速轴，输出端为高速轴，两端驱动发电机运行。双馈发电机产生出的电能通过变流器进行调节，与电网系统相接，然后进行正常的供电工作。
三、短路故障特征分析。
分析风力发电机组发生故障的短路分析，主要是通过对双馈型和直驱型这两种类型的风力发电机组进行仿真分析。
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（一）仿真分析双馈型风力发电系统故障特征
对定、转子绕组匝间进短路故障进行仿真电磁分析，当风力发电机组出现故障之后，由于有短路保护系统所产生的故障的特征是不同的，所以就要分开研究保护系统动作的故障情况以及保护不动作的情况。保护不动作的情况：当相同容量的发电机出现故障时，短路电流会达到以前的两倍左右，而另一处的电流则会先减小后增大；与同容量同步发电机代替风力发电机出现相同故障时，同步机提供的短路电流约为风机的两倍，远远大于风机提供的短路电流；系统保护不动作时，故障发生后电流频率保持稳定，没有什么变化；保护动作的情况：当保护系统动作时，故障发生之后电流增大到之前的五倍，其中有的地方电流变化比较大，相比之前不保护动作的电流小的地方成为却成为了电流最大的地方。
在没有短路保护系统的双馈型发电机组中提供的短路电流是非常小的，并且提供能力要弱于常规的电流。这种类型的发电机组中的暂态阻抗是大于火电厂中使用的发电机的；当使用短路保护系统的双馈型发电机，会改变原有系统的频率；当出现故障之后，等效交流的正负序阻抗不再相等并且会随着时间的移动而有所波动。
（二）直驱风力发电系统故障特征的仿真分析
直驱风力发电系统采用脉宽调制（PWM）控制的电力电子设备并网，其短路电流与并网变流器密切相关，由于直驱式风机通过换流器直接并网，因此可以将短路电流视作不超过并网换流器的额定电流来考虑，直驱式风力发电机组并网后对电力系统的稳定性和电能质量的影响上，对风电机组的短路故障特征研究很少，相关文献多集中于低电压穿越能力的研究，因此研究低电压穿越运行能力，很多研究方案均给出了发电机短路时的仿真故障波形，以说明其方案的有效性，这对于我们分析直驱式风电机组的短路电流特征提供了帮助。
四、风电接入对保护的影响
通过上述的仿真实验得出的故障特征对之后投入使用的保护，有一定的影响，具体影响如下：距离软件主要是包括两种类型，一种是全量距离软件，另一种是故障分量距离软件。当风电接入时，全量距离元件的变化不是很明显，但是故障分量距离原件会受到影响，会出现位置的移动；方向元件主要包括功率方向元件和故障分量软件，当风电接入时，对他们两个元件的影响也是不同的，功率方向元件受到的影响不大，而故障分量方向原件则会受到影响；选相元件分为序分量选相原元件、分相差动选相元件、突变量选相元件等，当风电接入时，对他们的影响也是不同的。
继电保护是通过识别故障发生后被保护元件的特征来判断故障位置，在大规模风电接入系统的背景下，由于风电系统的电磁暂态过程较同步机组而言更加复杂，这使得继电保护所面临的故障特征发生了显著的变化。由于目前双馈型风电机组没有单独专门的励磁系统，其故障特征与同步发电机存在显著差异；直驱型风电机组虽为同步发电机，但需要通过换流器并网，其故障特征和换流器的控制特性密切相关。
五、风场系统功能设置
对于工厂的供电工作为了避免问题的出现，要对电厂的变压站的高压、低压电流、频率等进行实时的监测，及时了解风场的变化和运行状态。同时随着技术的进步，也要使用计算机计算风场每日、每周、每月、每年的发电量，做好管理工作。当风场出现故障时，可以对出现故障的类型进行分析和诊断并得出诊断结果和修正措施。同时风场的系统管理权限也需要设置，设置相应的管理人员，每天对信息进行更新维护。
六、结语
通过上述对风力发电系统的模拟分析，对风力发电工作的运行管理和决策制定有一定的帮助。当风力发电设备出现故障时，可通过对故障类型进行分析，来选取正确的方法进行修复调整。通过对不同类型故障进行仿真，记录下的数据能够有效地运用到实际的供电工作中。同时也要明确风力发电机组的类型，深入了解比较常用的双馈型风力发电机组，分析机组中短路保护系统动作和动作的情况，做出正确的分析，从而促进我国风力发电工作的发展与进步。
参考文献：
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[2]光超.风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响[J].建筑工程技术与设计，2017（26）.
[3]滕予非，行武，张宏图，史华勃，焦在滨.风力发电系统短路故障特征分析及对保护的影响[J].电力系统保护与控制，2015，43（19）：29-36.
论文作者:李立波
论文发表刊物:《河南电力》2018年6期
论文发表时间:2018/9/10
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